孫小芹，周國燕

(上海理工大學 生物醫(yī)學熱科學研究所，上海，200093)

山核桃(CaryacathayensisSarg.) 又名核桃，是胡桃科山核桃屬植物，國家3級保護瀕危植物[1]。核桃在國際市場上與扁桃、腰果、榛子并稱“四大堅果”[2]，原產于古波斯，由中國漢朝張騫出使西域后帶回[3]。我國山核桃資源豐富，品種繁多，廣泛分布于遼寧、天津、安徽、廣西、云南等22個省份，栽培面積和產量均居世界首位[4]。山核桃油中富含多不飽和脂肪酸以及生育酚、黃酮、植物甾醇等活性成分，具有預防心腦血管疾病、促進嬰兒大腦發(fā)育和視網膜發(fā)育的功效[5]。因此山核桃油作為一種功能性的植物油脂，正受到國內外的廣泛關注。

ARRANZ等[6]研究發(fā)現，核桃油的綜合抗氧化能力要優(yōu)于花生油和杏仁油，但核桃油的氧化誘導時間(4.7 h)明顯短于花生油(14.6 h)、杏仁油(21.8 h)、開心果油(44.6 h)以及榛子油(52.7 h)，這是由于核桃油中不飽和脂肪酸占88.38%～95.78%，核桃油在貯藏過程中極易發(fā)生氧化。不同貯藏條件如溫度、氧氣、光照和濕度等都會影響油脂的氧化穩(wěn)定性。張良等[7]研究發(fā)現，隨著氧氣壓力的增大，油脂的氧化速率也隨之增大；MATE等[8]研究發(fā)現，高氧與低氧條件下貯存的核桃仁的過氧化值有顯著性差異；王煒等[9]研究了不同貯藏溫度對核桃油氧化穩(wěn)定性的影響，結果表明低溫能有效抑制脂肪酸氧化。但系統(tǒng)性地研究3個因素對山核桃油氧化穩(wěn)定性的綜合影響還未見報道。

食用油氧化穩(wěn)定性的評價方法有很多，有活性氧法、schaal烘箱法、熱重法、氧彈法[10]、化學發(fā)光法[11]、Rancimat法以及差示掃描量熱法等[12]。這些方法都存在樣品用量大、實驗時間長、操作繁瑣、實驗誤差大等缺點。高壓差示掃描量熱法(pressure differential scanning calorimetry,PDSC) 是指在程序控溫下，儀器測量輸入到被測樣品和參比物的功率差和溫度(或時間)的關系。具有用樣少、快速檢測、重復性好等優(yōu)點。PDSC法可用于測定油脂氧化誘導溫度和氧化誘導時間，其原理是油脂樣品在程序溫度的控制下發(fā)生氧化反應放出熱量，測定輸入到被測樣品和參比物兩端產生的熱流速率差對溫度(或時間)的關系，由放熱峰起始端引出的最大斜率切線與外推基線的交點即為油脂的氧化誘導溫度(或時間)[13]。目前PDSC法主要應用于工業(yè)油的研究當中，用于評價食用油氧化穩(wěn)定性的研究相對較少。CIEMNIEWSKA-ZYTKIEWICZ等[14]使用PDSC法與Rancimat法研究了橄欖油、榛子油和菜籽油的氧化穩(wěn)定性；LOPEZ-BECEIRO等[15]用PDSC法評價了橄欖油、玉米油、大豆油以及葵花籽油的氧化穩(wěn)定性；RATUSZ等[16-17]用PDSC法和Ranciamt法研究了亞麻籽油和亞麻薺油的氧化穩(wěn)定性；ADHVAYUA等[18]使用PDSC法和核磁共振光譜法研究了不同油脂的氧化動力學；張奧君等[19]使用PDSC法對南瓜籽油的氧化穩(wěn)定性以及氧化動力學進行了研究。目前還沒有使用PDSC法評價山核桃油氧化穩(wěn)定性的研究報道。

本文使用PDSC法研究了環(huán)境壓力、氧氣含量以及溫度對山核桃油氧化誘導時間的影響，從而為改善山核桃油的加工條件、包裝方式以及貯存條件以延長貨架期提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山核桃油自制，選用產自吉林長白山的野生山核桃經低溫壓榨得原油，精煉后置于棕色瓶冷藏保存，樣品未添加任何抗氧化劑。

101-2A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上?；厶﹥x器制造有限公司；韓皇全自動榨油機，韓皇電器科技有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技有限公司；電子分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；DSC 8500型高壓差示掃描量熱儀，鉑金埃爾默PerkinElmer公司。

1.2 實驗方法

本實驗利用PDSC法測定山核桃油的氧化穩(wěn)定性。PDSC有程序升溫法和恒溫法2種，本實驗采用恒溫法。稱取(2.5±0.5) mg山核桃油樣于直徑為6 mm開口鋁皿中，置于實驗爐中。通入一定壓力的高純氧，初始溫度為50 ℃，在氧氣氛圍下以40 ℃/min的升溫速率升溫至實驗溫度，恒溫至樣品完全氧化。實驗指標取的是氧化誘導時間(tonset)。實驗前對儀器進行校正。

1.2.1 單因素實驗

1.2.1.1 壓力對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實驗氧氣體積分數為60.5%、溫度為120 ℃，控制壓力分別為15、52.5、107.5、162.5、200和217.5 psi，分別測定山核桃油的tonset。

1.2.1.2 氧氣濃度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實驗溫度為120 ℃、壓力為107.5 psi，在氧氣體積分數分別為21%、37%、60.5%、84%和100%的條件下測定山核桃油的tonset。

1.2.1.3 溫度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

實驗壓力為107.5 psi、氧氣體積分數為60.5%的條件下，溫度分別控制為100、110、120、130和140 ℃，測定山核桃油的tonset。

1.2.2 響應面實驗

通過單因素實驗，發(fā)現3個因素對山核桃油氧化誘導時間都有極顯著影響。為了研究3個因素之間的交互作用對山核桃油氧化誘導時間的影響，使用Design-Expert.8.0軟件設計3因素5水平中心設計(central composite design,CCD)響應面實驗，以tonset為響應值進行響應面優(yōu)化實驗。

1.3 數據分析

所得PDSC放熱曲線使用Pyris Manager軟件進行處理得到實驗結果。響應面實驗設計和結果分析使用Design-Expert.8.0軟件來完成。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 壓力對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

如圖1所示，壓力對山核桃油氧化誘導時間有極顯著影響(P<0.01)，隨著壓力的增大，山核桃油的氧化誘導時間縮短。在壓力低的范圍內，改變壓力，氧化誘導時間顯著縮短；而162.5 psi以上，增大壓力對山核桃油氧化誘導時間沒有顯著的影響。這可能是因為在壓力增大到一定程度時，壓力對反式脂肪酸和飽和脂肪酸的增加有抑制作用，即有助于油脂氧化反應的逆向進行[20]。

2.1.2 氧氣濃度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，氧氣濃度對山核桃油氧化誘導時間有極顯著的影響(P<0.01)，且組間都有顯著性差異，在21%～100%氧氣體積分數范圍內，提高氧氣體積分數，山核桃油氧化誘導時間逐漸縮短，氧化反應速率逐漸加快。

2.1.3 溫度對山核桃油氧化誘導時間的影響

如圖3所示，溫度對油脂的氧化誘導時間有極顯著的影響(P<0.01)，組間均有顯著性差異，隨著溫度的升高，山核桃油的氧化誘導時間在逐漸縮短。

2.2 響應面實驗

2.2.1 建立模型與顯著性檢驗

根據單因素實驗結果，即3個因素對山核桃油氧化誘導時間均有極顯著影響，設計3因素5水平CCD實驗。具體因素水平見表1，響應面實驗設計和結果見表2。

tonset=2 019.496-0.833A-1.935B-28.105C+5.040×10-3AC+1.470×10-2BC+6.621×10-4×A2+9.859×10-2×C2

(1)

A、B、C、AC、BC、A2、C2對山核桃油tonset均有極顯著影響(P<0.01)。由回歸方程可知，隨著壓力升高、氧氣體積分數增大和溫度升高，山核桃油tonset均縮短。3個因素對山核桃油tonset的影響程度排序為:溫度(C) >氧氣濃度(A) >壓力(B)。MEXIS等[21]研究發(fā)現溫度對核桃仁貯藏氧化穩(wěn)定性的影響大于包裝透氧性即氧氣濃度對其的影響，這與本文研究結果一致。

注:*表示顯著(P<0.05)；**表示極顯著(P<0.01)。

隨著溫度升高，tonset縮短，是因為溫度升高，氧分子運動性增強，氧化速率加快導致。朱冉等[22]研究發(fā)現，在60～180 ℃范圍內，隨著溫度的升高，核桃油氧化逐漸加快；陸浩等[1]使用Rancimat法測定核桃油氧化穩(wěn)定性，結果表明在100、110、120、130、140 ℃條件下，氧化反應速率隨溫度升高而加速，這些研究結論都與本文實驗結果一致。由公式(1)計算可知溫度每升高10 ℃，tonset縮短約一倍，符合溫度與油脂氧化酸敗的規(guī)律，孫曙慶等[23]的研究結果也與該結果一致；Arrhenius方程也表明反應速率隨溫度升高呈指數型增長，與本實驗結論相一致。因此在山核桃油的保存和貯藏期間，應嚴格控制食用油存放的溫度，這有利于延緩油脂的氧化變質，延長保質期。

氧氣濃度增大，山核桃油氧化反應速率加快，從而縮短tonset。脂肪酸的自動氧化是由于核桃油中的游離基吸收了環(huán)境中的O2從而發(fā)生了一系列的反應，在其他條件一定時，高氧條件會加速游離基對O2的吸收，因此核桃油氧化變質的速率隨氧氣濃度增大而加快，楊春燕等[24]的研究得到同樣的結論；MATE等[8]發(fā)現低氧儲藏可以有效減緩核桃仁氧化；楊媛媛等[5]研究發(fā)現真空和充氮貯藏有利于減緩核桃油氧化；王煒等[25]的研究證明，對核桃油進行低氧貯藏可以減少環(huán)境中的可吸收基態(tài)氧，從而減弱了游離基對O2的吸收，可有效抑制油脂的氧化酸敗。這些研究結論都表明氧濃度變化會影響油脂氧化反應速率，從而改變氧化誘導時間。這為食用油及含油量高的食品的氣調包裝和貯藏提供理論依據。

增大壓力會使氧化反應速率加快，tonset縮短。這是由于在有氣體參加反應的體系中，當其他條件不變時，增大壓力，氣體濃度增大，單位體積內總分子數增加，分子間的有效碰撞次數增加，故反應速率加快。陳發(fā)慶等[26]研究證明壓力會誘導油脂氧化；WANG[27]和MA等[28]研究證明高壓會加速不飽和脂肪酸的氧化分解，也有研究證明，增大壓力會導致反應物的活化能降低，從而加速反應[29]。

2.2.2 山核桃油貨架期的預測

山核桃油的回歸方程模型可用于不同壓力、氧氣體積分數、溫度的條件下山核桃油氧化誘導時間的預測。根據模型(1)，預測在常壓常氧(即壓力為15 psi，氧氣含量為21%)條件下不同溫度所對應的氧化誘導時間如表4所示，溫度從105 ℃升高到135 ℃,山核桃油tonset從142.796 min縮短到21.023 min。通過對lgtonset與溫度(T)的關系作圖，發(fā)現lgtonset與T呈線性相關(圖4)，回歸分析后得到二者之間的關系如公式(2)所示:

lgtonset=-0.027 9T+5.102

(2)

相關系數r=0.998，表明此方程擬合程度好，兩者之間線性關系很強。由公式(2)可推導出山核桃油在常壓、常氧、20 ℃條件下貨架期為24 d。為驗證此方程對山核桃油貨架期預測的準確性，將山核桃油貯存在常壓、常氧、20 ℃條件下，測定其過氧化值，得到山核桃油的貨架期為18～30 d，這與公式(2)的預測結果一致。盧付清等[30]的研究結果(16～32 d)也與本文結果一致。由公式(2)可知，山核桃油氧化誘導時間隨溫度升高呈指數型縮短，因此建議山核桃油在加工、運輸、貯藏過程中應避免高溫。

2.2.3 壓力、氧氣濃度、溫度交互作用分析

由表3回歸模型方差分析結果可知，壓力與溫度、氧氣濃度與溫度之間都有交互性，其中氧氣體積分數和溫度的交互作用對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響更大，壓力和溫度次之。這可能是由于溫度變化會改變氧分子活躍程度，從而交互影響了氧化反應速率，壓力在某種程度上體現了氧分壓，從而也會產生交互作用，壓力和氧氣濃度的交互影響則不顯著。因此建議盡量避免油脂在處于高溫、多氧、高壓條件下處理。

3 結論

本文使用PDSC法研究了壓力、氧氣濃度和溫度對山核桃油氧化穩(wěn)定性的影響。單因素實驗結果表明，壓力、氧氣濃度和溫度對山核桃油的氧化誘導時間都有極顯著性影響，隨著壓力升高、氧氣濃度的增大和溫度升高，山核桃油的氧化誘導時間縮短，油脂的氧化穩(wěn)定性下降。通過響應面實驗得到回歸方程模型：tonset=2 019.496-0.833A-1.935B-28.105C+5.040×10-3AC+1.470×10-2BC+6.621×10-4×A2+9.859×10-2×C2。該模型極顯著,置信度高,擬合性好。實驗結果表明氧氣濃度與溫度、溫度與壓力之間的交互作用對山核桃油氧化誘導時間都有極顯著性影響，這為山核桃油的保藏提供有效依據，同時也根據響應面模型和推算公式預測出在常壓、常氧、20 ℃條件下山核桃油的貨架期是24 d，因此建議山核桃油在低溫、密封條件下貯藏。